小功率ECR离子推力器技术研究发展现状

相比Kaufmann离子推力器,ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子推力器具有无电极腐蚀、无污染、放电气压低、等离子体密度高、能量转换效率高、中和器和放电室能快速起弧等优点。ECR离子推力器因独特的技术优势而使其在微小功率电推进领域受到国内外的广泛研究。国外(主要是日本)小功率ECR离子推力器口径从1~10 cm都取得了小行星探测采样返回的突出成果,国内没有针对应用需求的产品开发研制计划,偏重基础研究,性能也有很大差距,无论是技术还是产品距离微小卫星应用需求还存在很大差距。建议研究的主要方向是磁场位形、变孔栅和碳-碳复合材料栅极。

驱动卫星捕获碎片的电子回旋共振离子推力器系统优化

近年来空间碎片数量急剧增加,已经对空间飞行器造成了严重的威胁。为此提出在碎片密集区域轨道(700km^1000km高度)的碎片处理方案,即利用微小卫星在电子回旋共振(ECR)离子微推进连续切向力作用下,不断进行轨道提升并进行碎片收集。基于此,进一步对电推进系统方案进行优化设计计算,在设计寿命1年的条件下,以推进系统质量最低作为优化目标,以加速电压和工质流量为变量,对电推进系统方案进行优化。最终得到的优化结果为工质流量0.25sccm(0.0244mg/s)、加速电压2488V时,推进系统总体最优,总质量7.288kg,推力器比冲2216s,推力535μN。

氮工质ECRIT离子源性能计算与实验研究

2 cm电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)具有无热阴极、比冲高等特点,适用于吸气式电推进系统。为了适应低轨道氮氧混合大气成分特点,开展氮工质ECRIT离子源的性能计算与实验研究,是分析ECRIT应用于吸气电推进系统的可行性的重要基础。建立了氮工质2 cm ECRIT离子源的整体模型并计算其性能,再与实验结果相互对比,分析两者差别。研究结果表明:①当离子源的输入功率为8 W,气体流量为2 ml/min时,离子引出束流和推力的计算与实验结果均达到最大值,引出束流分别为16.2与12.5 mA,推力分别476.6与368μN。②当输入功率为8 W,气体流量为0.6 ml/min时,比冲的计算与实验结果为2095.8与1855.6 s,均达到最大值,离子引出束流、推力和比冲的计算与实验结果的相对误差变化范围均为2%~32%。③当计算采用的输入功率为8 W,气体流量为1 ml/min,实验采用的输入功率为8 W,气体流量为0.8 ml/min时,离子源都处于最优工作状态,此时推进剂利用效率较高,分别为17.8%和16.2%;离子能量损耗较低,分别为443.9和596.2 W/A。